CN110890569A - 燃料电池组件、燃料电池及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种燃料电池组件、燃料电池及其制备工艺。该燃料电池组件至少包括两个膜电极组件和三个双极板，每个所述膜电极组件夹设在两个所述双极板之间；每个所述膜电极组件的周边与相邻所述双极板为密封设置。采用三个双极板和两个膜电极组件的组装模式，能形成双电池单元结构，减少了双极板使用量，减薄了电池单元的厚度，增大了电堆质量、体积比功率，提高了电堆装配效率。

Description

燃料电池组件、燃料电池及其制备工艺

技术领域

本申请属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池组件、燃料电池及其制备工艺。

背景技术

燃料电池是一种能源转换装置，能将燃料中的化学能转换为电能输出。单电池主要由双极板、膜电极和密封件等组成，多个单电池可通过串联堆叠成电堆结构，从而提高输出电压和功率。电堆的重量、体积比功率是评判电堆性能的重要指标，传统电池单元由两块双极板、一个膜电极组件及密封件组装制成，其体积比功率和重量比功率往往受电池单元结构限制，仅能微调，性能无法得到大幅的改进。因此，在车辆有限的空间内装载可满足功率密度需求的电堆，需将燃料电池电堆设计的更加紧凑和轻盈，从而提升电堆的比功率。

燃料电池内流体流动的均匀性对电池性能影响较大，气体分布不均会引起局部缺气而不能产生电流，严重的会引起反极导致催化剂降解和电池性能衰减。而液体分布不均，会导致电池在高电流区运行时，燃料电池工作时产生的热量不能及时排出，从而导致单电池出现局部超温现象，引起质子交换膜脱水从而导致电导率降低，严重的会导致质子交换膜穿孔，影响电池发电性能及电堆运行的安全性。因此，应使反应气体尽可能均匀到达电极表面，保证电流密度分布均匀，增加电池运行平稳性，提高电池性能，同时使冷却液能在流道内均匀分布，将电池工作产生的热量及时排出，保证电池温度分布的均匀性。然而，现有的双极板受加工工艺、密封工艺、模具精度、设计尺寸干涉等方面限制无法同时保证气侧和水侧流动均匀性，或是需要额外的制造工艺、材料和设备，增加了制造难度及成本。

另外，燃料电池对密封性要求较高，然而传统的硅胶垫挤压密封的方式抗震、耐温性差，在装配时需容易发生错位，须在装配过程中不断检测气侧、水侧泄露状况，组装效率较低，可靠性不足，若是出现气侧或水侧泄露等情况将严重影响电池性能和寿命。因此，随着技术的发展，粘接密封方式逐渐应用，然而大多厂家采用注塑等工艺进行粘接密封，生产设备成本高，对环境和工艺要求高，速度较慢，限制了燃料电池的生产效率，提高了生产成本。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种燃料电池组件、燃料电池及其制备工艺，能够减小电池厚度，提高电堆装配效率和流场均匀性。

为了解决上述问题，本申请提供一种燃料电池组件，至少包括两个膜电极组件和三个双极板，每个所述膜电极组件夹设在两个所述双极板之间；每个所述膜电极组件的周边与相邻所述双极板为密封设置。

优选地，所述燃料电池组件还包括有橡胶密封垫圈，所述橡胶密封垫圈包括密封槽，所述膜电极组件的周边密封插设于所述密封槽中，所述橡胶密封垫的两侧与相邻所述双极板密封固定。

优选地，所述双极板包括凹凸面结构，相邻所述双极板的所述凹凸面结构抵接式夹设所述膜电极组件；优选的，所述凹凸面结构包括波浪形结构。

优选地，所述双极板还包括有第一分配区，所述第一分配区对所述燃料电池组件中的冷却流体进行分散。

优选地，所述燃料电池组件还包括有盖板，所述盖板设在相邻所述双极板之间，所述盖板的侧边与所述膜电极组件密封接触；所述盖板使得相邻所述双极板的同侧的流体相同。

优选地，所述盖板上设有第二分配区，所述第二分配区使得经过所述盖板的流体分散均匀。

优选地，所述第一分配区或所述第二分配区包括有分散结构，所述分散结构包括圆形凸点、椭圆形凸点、树状连续流道中的至少一个。

优选地，所述膜电极组件包括质子交换膜和两个碳纸层，所述质子交换膜设在两个所述碳纸层之间；一个所述碳纸层与所述质子交换膜形状大小相同，另一个较小。

根据本申请的另一方面，提供了一种燃料电池，包括如上所述的燃料电池组件。

根据本申请的另一方面，提供了一种如上所述燃料电池的制备工艺，其特征在于，包括：

膜电极组件嵌设入橡胶密封垫中，形成膜电极组件的预成型边框；将该预成型边框与双极板、盖板叠加设置，进行硫化粘接，制成燃料电池。

本申请提供的一种燃料电池组件，至少包括两个膜电极组件和三个双极板，每个所述膜电极组件夹设在两个所述双极板之间；每个所述膜电极组件的周边与相邻所述双极板为密封设置。采用三个双极板和两个膜电极组件的组装模式，能形成双电池单元结构，减少了双极板使用量，减薄了电池单元的厚度，增大了电堆质量、体积比功率，提高了电堆装配效率。

附图说明

图1为本申请实施例的燃料电池组件结构示意图；

图2为本申请实施例的燃料电池组件中双极板一的正视图；

图3为本申请实施例的燃料电池组件中双极板二的正视图；

图4为本申请实施例的燃料电池组件中双极板三的正视图；

图5为本申请实施例的燃料电池组件中盖板与双极板一的组装示意图；

图6为本申请实施例的燃料电池组件中盖板与双极板三的组装示意图。

附图标记表示为：

1、双极板一；2、双极板二；3、双极板三；4、密封垫圈；4-1、第一密封件；4-2、第二密封件；5、氧化剂盖板；51、燃料盖板；6、大碳纸；7、质子交换膜；8、小碳纸；9、膜电极组件；10、主流道；11a、凸点；11b、凸点；12a、进口；12b、出口；13a、入口；13b、出口；14a、进口；14b、出口；15、主流道；16a、凸点；16b、凸点；17、主流道。

具体实施方式

结合参见图1至图6所示，根据本申请的实施例，一种燃料电池组件，至少包括两个膜电极组件9和三个双极板，每个所述膜电极组件9夹设在两个所述双极板之间；每个所述膜电极组件9的周边与相邻所述双极板为密封设置。

将三块双极板和两片膜电极以“三明治”方式组装，膜电极组件9的两侧进行密封设置，相应在最外侧的两个双极板的外表面上通冷却水，构成了两个电池单元的燃料电池组件；具体结构如图1所示，双极板一1下面流道走氧气(空气)，双极板二2上面流道走氢气，中间夹着膜电极，这样就构成了一个电池单元。双极板二2下面流道走氧气(空气)，双极板三3上面流道走氢气，这样又构成了另一个电池单元，也就是说本申请结构能形成两个电池单元，比传统电池单元的装配方式减小了一块双极板，因此相对减薄了燃料电池的厚度，增大了电堆质量、体积比功率，提高了电堆装配效率。

其中，双极板为不锈钢薄板、钛合金薄板、石墨板或其他导电材料薄板，根据不同材料属性通过冲压或精雕等工艺成型。

燃料电池组件还包括有橡胶密封垫圈4，橡胶密封垫圈4包括密封槽，膜电极组件9的周边密封插设于密封槽中，橡胶密封垫的两侧与相邻双极板密封固定。直接采用橡胶密封垫圈4结构，与膜电极组件9构成预成型密封垫，为燃料电池的密封提供了较高的可靠性，且该密封垫制作简单，无需注塑机、点胶机等大型设备和复杂工艺，节约成本，生产速度快。

如图1所示，橡胶密封垫圈4的具体结构包括叠加设置的第一密封件4-1和第二密封件4-2，两个密封件之间形成密封槽，膜电极组件9夹设在第一密封件4-1和第二密封件4-2之间。

双密封垫材料可以选择硅胶、热熔胶、环氧胶、橡胶等材料，与双极板、膜电极有良好的粘合效果，同时具有良好的可塑性、固化条件、固化后的强度、耐腐蚀性、弹性等，比较适合的有三元乙丙橡胶和硅胶等。

双极板包括凹凸面结构，相邻双极板的凹凸面结构抵接式夹设膜电极组件9；优选的，所述凹凸面结构包括波浪形结构。利用模具冲压出双极板的流道部分，其中双极板的第一面流道沟对应为双极板的第二面流道脊。

装配时，将双极板一1、双极板二2、双极板三3、两片膜电极组件9、膜电极组件9周围的双密封垫以及气侧进出口盖板组成燃料电池结构，且双极板一1与双极板二2、双极板二2与双极板三3靠近膜电极一侧为脊对脊、沟对沟的布置方式，如图1所示。此外，双极板一1、双极板三3水侧部分流道为正弦波形流道，通过与余弦波形流道电池单元的水侧相配合可实现水侧流道从侧面直接进入流道并立体流动的效果。

双极板还包括有第一分配区，第一分配区对燃料电池组件中的冷却流体进行分散。具体的，双极板一1和双极板三3远离膜电极一侧均为水侧走冷却液，双极板一1、双极板三3走冷却液侧的分配区部分为凸点设计，如双极板一1上设有凸点11a和凸点11b，双极板三3上设有凸点16a和凸点16b，凸点11a和凸点11b，与凸点16a和凸点16b的朝向相反，可对流入的冷却液起均匀分配的作用。

燃料电池组件还包括有盖板，盖板设在相邻双极板之间，盖板的侧边与膜电极组件9密封接触；盖板使得相邻双极板的同侧的流体相同。盖板上设有第二分配区，所述第二分配区使得经过所述盖板的流体分散均匀。

盖板采用冲压设计，包含进口流道及第二分配区，盖板总高度与单侧流道凸起高度一致，盖板除进口和与发电区域流道相连出口外，剩余两边均做弯折设计，盖板弯折后的边与双极板平面相接触，可防止在密封单电池时出现预成型橡胶堵塞盖板板部分流道的情况，提高装配的可靠性。盖板分为两类：氧化剂盖板5及燃料盖板51。

具体地，第一分配区或第二分配区包括有分散结构，分散结构包括圆形凸点、椭圆形凸点、树状连续流道中的至少一个。

膜电极组件9包括质子交换膜7和两个碳纸层，质子交换膜7设在两个碳纸层之间；一个碳纸层与质子交换膜7形状大小相同，另一个较小。

膜电极组件9采用大小碳纸8设计，质子交换膜7与大碳纸6尺寸相同，比小碳纸8略大一些。大碳纸6及质子交换膜7相对于小碳纸8多出的部分与橡胶直接粘接在一起，作用力较大粘接效果好。此外，质子交换膜7的催化剂部分面积保持与小碳纸8一致即可，多出小碳纸8的部分膜上无需喷催化剂，仅作粘接密封用，这样可减少催化剂使用量降低膜电极成本。

其中橡胶密封垫圈4的具体结构包括第一密封件4-1和第二密封件4-2，第一密封件4-1靠近膜电极一侧中间位置采用镂空设计，尺寸与大碳纸6相同，深度与大碳纸6和质子交换膜7厚度之和相等，第一密封件4-1靠近流道一侧中间位置同样采用镂空设计，大小与小碳纸8尺寸相同，深度与流道突出高度相同，保证膜电极大碳纸6能与双极板流道脊相接触。第二密封件4-2两面中间位置采用镂空设计，尺寸与小碳纸8相同，深度为小碳纸8厚度和流道凸出高度之和，保证膜电极小碳纸8能与双极板流道脊相接触。在第一密封件4-1、第二密封件4-2靠近流道一侧的进出口分配区还需留出凹槽用来放置燃料盖板51和氧化剂盖板5，凹槽深度与盖板总高度相同，同时也能为盖板起到定位的作用。制作时，先将混炼胶填入热压模具中形成所需的预成型橡胶垫上第一密封件4-1，第二密封件4-2，然后将膜电极与两块预成型的橡胶垫依次叠放形成预成型橡胶边框。然后在热压定位模具中将双极板一1、双极板二2、双极板三3、两个带预成型橡胶边框的膜电极、以及进出口的燃料盖板51和氧化剂盖板5以3+2的结构依次叠放后进行硫化粘接成型，完成单电池的组装密封。

根据本申请的另一实施例，一种燃料电池，包括如上所述的燃料电池组件。

本燃料电池中的水侧流路设计为冷却液从入口13a流入，一部分直接进入双极板一1上的主流道10、双极板三3主流道17，另一部分先经过分配区整流后再进入流道，之后从出口13b流出，这样设计是为了在保证水流均匀的同时还能保持充足的进水流量。而进气方面，本发明中为氢气的进口12a，氢气的出口12b，空气的进口14a，空气的出口14b。若保持12a进氢气不变，14b进空气，14a出空气也为一种可行的选择。本发明中，双极板一1的一面走空气，另一面走冷却液，也可选双极板一1的一面走氢气，另一面走冷却液，相应的双极板二2靠近双极板一1的一侧则走空气，靠近双极板三3走氢气，双极板三3靠近双极板二2一侧走空气，远离双极板二2一侧走冷却液。此外，水侧可选择取消金属板水侧分配区凸点设计，只通过交叉的波形流道进水，可通过调整波形流道及水侧进出口大小、形状、位置来调节水侧均匀性。另一种方案，则是取消波形交叉水侧流道设计，让水侧进口全部进入分配区，经整流后再进入主流道，然后从出口13b流出，这时主流道10、15、17的形状将有更多选择，比如脊对脊沟对沟的波形流道、直流道或其他可流通的流道设计。

密封垫的形状和深度可根据膜电极和盖板的变化进行调整，而膜电极9的小碳纸8朝向阴极或阳极双极板流道也不受限制，可根据具体需求调整，但需确保密封垫与膜电极和盖板形状、高度的匹配。

根据本申请的另一实施例，一种如上所述燃料电池的制备工艺，包括：膜电极组件9嵌设入橡胶密封垫中，形成膜电极组件9的预成型边框；将该预成型边框与双极板、盖板叠加设置，进行硫化粘接，制成燃料电池。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各实施方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池组件，其特征在于，至少包括两个膜电极组件(9)和三个双极板，每个所述膜电极组件(9)夹设在两个所述双极板之间；每个所述膜电极组件(9)的周边与相邻所述双极板为密封设置。

2.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述燃料电池组件还包括有橡胶密封垫圈(4)，所述橡胶密封垫圈(4)包括密封槽，所述膜电极组件(9)的周边密封插设于所述密封槽中，所述橡胶密封垫的两侧与相邻所述双极板密封固定。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池组件，其特征在于，所述双极板包括凹凸面结构，相邻所述双极板的所述凹凸面结构抵接式夹设所述膜电极组件(9)；优选的，所述凹凸面结构包括波浪形结构。

4.根据权利要求3所述的燃料电池组件，其特征在于，所述双极板还包括有第一分配区，所述第一分配区对所述燃料电池组件中的冷却流体进行分散。

5.根据权利要求4所述的燃料电池组件，其特征在于，所述燃料电池组件还包括有盖板，所述盖板设在相邻所述双极板之间，所述盖板的侧边与所述膜电极组件(9)密封接触；所述盖板使得相邻所述双极板的同侧的流体相同。

6.根据权利要求5所述的燃料电池组件，其特征在于，所述盖板上设有第二分配区，所述第二分配区使得经过所述盖板的流体分散均匀。

7.根据权利要求4或6所述的燃料电池组件，其特征在于，所述第一分配区或所述第二分配区包括有分散结构，所述分散结构包括圆形凸点、椭圆形凸点、树状连续流道中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述膜电极组件(9)包括质子交换膜(7)和两个碳纸层，所述质子交换膜(7)设在两个所述碳纸层之间；一个所述碳纸层与所述质子交换膜(7)形状大小相同，另一个较小。

9.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1-8任一所述的燃料电池组件。

10.一种如权利要求9所述燃料电池的制备工艺，其特征在于，包括：

膜电极组件(9)嵌设入橡胶密封垫中，形成膜电极组件(9)的预成型边框；将该预成型边框与双极板、盖板叠加设置，进行硫化粘接，制成燃料电池。

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